VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY TECHNOLOGICKÝ PROJEKT PRO VÝROBU HŘÍDELE TECHNOLOGICAL PROJECT FOR THE SHAFT PRODUCTION BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Josef Pospíchal Ing. Milan Kalivoda BRNO 2016

ABSTRAKT, KLÍČOVÁ SLOVA ABSTRAKT Bakalářská práce pojednává o technologii výroby hřídelovité součásti procesem obrábění. Skládá se z konstrukčně-funkčního rozboru součásti, dále ze sestavení technologické dokumentace, vytisknutí vzorku na 3D tiskárně a nakonec z technickoekonomického zhodnocení. Klíčová slova Hřídel, technologický postup, rapid prototyping, FDM ABSTRACT Bachelor thesis describes technology of making shaft component with machine process. It consists of structural functional analysis of the component, the compilation of technical documentation, printing a component on 3D printer and technical economical evaluation. Key words Shaft, technological process, rapid prototyping, FDM ÚST FSI VUT v Brně 3

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE BIBLIOGRAFICKÁ CITACE POSPÍCHAL, J. Technologický projekt pro výrobu hřídele. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2016. 36 s., 2 přílohy. Vedoucí bakalářské práce Ing. Milan Kalivoda. 4 ÚST FSI VUT v Brně

PROHLÁŠENÍ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Technologický projekt pro výrobu hřídele vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených v seznamu, který tvoří přílohu této práce. Datum Josef Pospíchal ÚST FSI VUT v Brně 5

PODĚKOVÁNÍ PODĚKOVÁNÍ Tímto bych rád poděkoval panu Ing. Milanu Kalivodovi z VUT v Brně za užitečné rady a poznámky k této bakalářské práci. Rád bych také poděkoval panu Ing. Oskaru Zemčíkovi, Ph.D. z VUT v Brně za možnost vytisknutí součástky na 3D tiskárně. ÚST FSI VUT v Brně 6

OBSAH Obsah ABSTRAKT... 3 ÚVOD... 8 1 KONSTRUKČNĚ-FUNKČNÍ ROZBOR SOUČÁSTI HŘÍDEL... 9 1.1 Popis vyráběné součásti... 9 1.2 Výrobní podmínky... 9 1.3 Technologičnost konstrukce... 9 1.4 Návrh a výpočet polotovaru... 10 1.4.1 Návrh polotovaru... 10 1.4.2 Rozměry polotovaru... 10 1.4.3 Výpočet spotřeby materiálu... 10 2 SESTAVENÍ TECHNOLOGICKÉHO PROCESU... 14 2.1 Volba strojů... 14 2.2 Volba nástrojů... 18 2.3 Technologický postup... 21 3 TISK VZORKU NA 3D TISKÁRNĚ... 22 3.1 Co to je 3D tisk a něco o něm... 22 3.2 Metody 3D tiku... 22 3.3 Materiály pro 3D tisk... 22 3.4 Tisk Vzorku Pomocí 3D Tisku... 23 3.5 Metoda FDM... 24 3.6 Tisk výrobku... 26 4 TECHNICKO EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ... 29 4.1 Technické zhodnocení... 29 4.2 Ekonomické zhodnocení... 29 5 DISKUZE... 30 ZÁVĚR... 31 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ... 32 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ... 34 SEZNAM PŘÍLOH... 36 7 ÚST FSI VUT v Brně

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ ÚVOD Bakalářská práce Technologický projekt pro výrobu hřídele byla zvolena kvůli velkému použití a také kvůli tomu, že se v této oblasti stále objevují nové metody výroby. Součástka hřídel je jedna z velmi používaných konstrukčně funkčních součástek, ať je použita jako hnací nebo jako hnaný člen. Tato součástka musí být schopna odolávat různým mechanickým vlivům počínaje nárazům při chodu a konče obvodovým házením. Proto zaleží na vhodném výběru materiálu, výběru strojů a nástrojů, aby dokázaly obrobit tvarové prvky, které jsou na součástce požadovány. Dále se může výrobek různě tepelně a povrchově upravovat (kalení, cementování, nitridování, honování, atd.). Neméně důležitá je také kontrola, která se provádí během výroby. Tato bakalářská práce pojednává o výrobě součástky na klasických konvenčních strojích, které zvládnou složitost konstrukce. Dále pomocí metody FDM, která patří k nejrozšířenějším v oblasti 3D tisku, bude vytisknut prototyp, který bude sloužit pro reklamní účely. ÚST FSI VUT v Brně 8

KONSTRUKČNĚ-FUNKČNÍ ROZBOR SOUČÁSTI HŘÍDEL 1 KONSTRUKČNĚ-FUNKČNÍ ROZBOR SOUČÁSTI HŘÍDEL 1.1 Popis vyráběné součásti Vyrábět se bude hřídel o délce 100mm a největším průměru 45mm. Hřídel se bude vyrábět z materiálu 12 050.1 dle ČSN 42 5510, kde chemické složení materiálu je v tab. 1.1 a mechanické vlastnosti v tab. 1.2. Obrobitelnost je dle normativů řezných podmínek 14b. Vyráběná hřídel se skládá ze čtyř obrobených průměrů, dvou drážek pro pojistné kroužky, jedné drážky pro pero, jedné kuželové plochy a dvou středicích důlků. [1, 4] Tab. 1.1 Chemické složení v %. [19] dle ČSN C Mn Si Cr Mo Ni max P max S max 0,42 0,50 0,50 0,80 max 0,40 max 0,40 max 0,10 0,40 0,045 0,045 Tab. 1.2 Mechanické vlastnosti. [19] Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%] E [GPa] G [GPa] dle ČSN min. 325 min. 540 min. 17 211 79 1.2 Výrobní podmínky Součást bude vyráběna na běžných konvenčních strojích a navíc bude vytisknut vzorek na 3D tiskárně za pomocí jedné z metod rapid prototyping. Tento vzorek bude používán jen pro reklamní účely. 1.3 Technologičnost konstrukce Vzhledem k tomu, že obrobitelnost materiálu je 14b a na obráběné součásti se nenachází žádné konstrukčně náročné tvary, může se hřídel vyrobit na běžných konvenčních strojích. Na součásti se nachází průměrné aritmetické úchylky profilu 0,8, které po obrobení budou broušeny, protože plochy, které mají průměrnou aritmetickou úchylku profilu 0,8, jsou stykové plochy pro naražená a lisovaná uložení. Dále se na součásti nachází ještě průměrné aritmetické úchylky profilu 1,6 a 3,2. Průměrná aritmetická úchylka profilu 1,6 je pro kluzné plochy hřídelů a ložisek s občasným nebo ručním pohybem a také pro vodící plochy např. drážky pro klíny a pera. Průměrná aritmetická úchylka profilu 3,2 je pro kluzné plochy s velmi malou kluznou rychlostí a bez nároku na přesnost uložení a ještě pro stykové plochy bez velkých požadavků na těsnost a přesnost styku př.: těsnící plochy pro měkká těsnění, volné plochy otáčejících se součástí obrobené pro dynamické vyvážení, plochy pro netmelené nátěry. Na součásti se nachází geometrické tolerance válcovitosti a obvodového házení, které jsou složitější na přesnost a kvalitu povrchu. Hřídel je osoustružena na několik rozdílných průměrů a na jednom z průměrů se nachází vyfrézovaná drážka pro pero, a proto z technologického pohledu není součást tak složitá. Proto je také řazena do středně složité třídy. Součást je však složitější z pohledu přesnosti a kvality povrchu. 9 ÚST FSI VUT v Brně

KONSTRUKČNĚ-FUNKČNÍ ROZBOR SOUČÁSTI HŘÍDEL Proto po konzultaci s konstruktérem můžeme navrhnout technologický postup a výkresovou dokumentaci. [4] 1.4 Návrh a výpočet polotovaru 1.4.1 Návrh polotovaru Pro součást byl zvolen polotovar od firmy Ferona, tyč ocelová kruhová válcovaná za tepla ČSN 42 5510 o průměru 50 mm a hmotnosti 15,4 kg. Tyče budou dodávány v délce 6 metrů. [1] 1.4.2 Rozměry polotovaru Průměr polotovaru 50 mm bude soustružen na největší průměr součásti 45 mm. Na délku je přídavek 2 mm tzn., celková délka polotovaru bude 102 mm. 1.4.3 Výpočet spotřeby materiálu Hmotnost zhotovené součásti byla zjištěna pomocí programu Autodesk Inventor Professional 2015. Hmotnost tedy činí m = 0,56 kg. Objem polotovaru: [2] π. D2 V p = ( 4 ). l (1.1) π. 502 V p = ( ). 102 = 200 276,5 mm 3 4 Kde: Vp objem polotovaru [mm 3 ], D průměr polotovaru l délka polotovaru Hmotnost polotovaru: [2] [mm], [mm]. Q p = V p. ρ. 10 6 (1.2) Q p = 200 276,5. 7,87.10 6 = 1,58 kg Kde: Qp hmotnost polotovaru [kg], ρ hustota materiálu [kg.m -3 ], Počet přířezů z jedné tyče: [2] L n = ( l + p + s ) (1.3) 6000 n = ( ) = 58,3 58 ks 100 + 2 + 0,9 Kde: n počet přířezů z jedné tyče [ks], L délka jedné tyče [mm], 10 ÚST FSI VUT v Brně

KONSTRUKČNĚ-FUNKČNÍ ROZBOR SOUČÁSTI HŘÍDEL l délka součásti p přídavek na délku (p = 2 mm) s tloušťka pilového pásu (s = 0,9 mm) [mm], [mm], [mm]. Délka nevyužitého konce tyče: [2] l k = L [n. (l + p + s)] (1.4) l k = 6000 [58. (100 + 2 + 0,9)] = 31,8 mm Kde: lk délka nevyužitého konce tyče [mm]. Ztráta materiálu z nevyužitého konce tyče: [2] π. D2 Q k = ( 4 ). l k. ρ (1.5) π. 502 Q k = ( ). 31,8.7,87. 10 6 = 0,49 kg 4 Kde: Qk ztráta materiálu z nevyužitého konce tyče [kg], lk délka nevyužitého konce tyče [mm], ρ hustota materiálu [kg.m -3 ]. D průměr polotovaru [mm]. Ztráta materiálu z nevyužitého konce tyče pro jednici: [2] q k = ( Q k n ) (1.6) q k = ( 0,49 ) = 0,008 kg 58 Kde: qk ztráta materiálu z nevyužitého konce tyče pro jednici [kg], Qk ztráta materiálu z nevyužitého konce tyče n počet přířezů z jedné tyče [kg], [ks]. Ztráta vzniklá obráběním přídavku: [2] q o = Q p Q s (1.7) q o = 1,54 0,56 = 0,98 kg Kde: qo ztráta materiálu vzniklá obráběním [kg], Qp hmotnost polotovaru Qs hmotnost součásti [kg], [kg]. 11 ÚST FSI VUT v Brně

KONSTRUKČNĚ-FUNKČNÍ ROZBOR SOUČÁSTI HŘÍDEL Ztráta materiálu vzniklá dělením připadající na jednici: [2] π. D2 q u = ( 4 ). s. ρ (1.8) π. 502 q u = ( ). 0,9.7,87. 10 6 = 0,013 kg 4 Kde: qu ztráta materiálu vzniklá dělením připadající na jednici [kg], D průměr polotovaru s tloušťka pilového pásu ρ hustota materiálu [mm], [mm], [mm]. Celkové ztráty materiálu na jednici: [2] Z m = q u + q o + q k (1.9) Z m = 0,013 + 0,98 + 0,008 = 1,001 kg Kde: Zm celková ztráta materiálu na jednici [kg], qu ztráta materiálu vzniklá dělením připadající na jednici qo ztráta vzniklá obráběním přídavku qk ztráta materiálu z nevyužitého konce tyče pro jednici [kg], [kg], [kg]. Norma spotřeby materiálu: [2] N m = Q s + Z m (1.10) N m = 0,56 + 1,001 = 1,561 kg Kde: Nm norma spotřeby materiálu [kg], Qs hmotnost součásti Zm celková ztráta materiálu na jednici [kg], [kg]. Stupeň využití materiálu: [2] k m = Q s N m (1.11) k m = 0,56 1,561 = 0,36 Kde: km stupeň využití materiálu [-], Qs hmotnost součásti Nm norma spotřeby materiálu [kg], [kg]. 12 ÚST FSI VUT v Brně

KONSTRUKČNĚ-FUNKČNÍ ROZBOR SOUČÁSTI HŘÍDEL Celkový počet tyčí pro danou sérii: [2] t celk. = P n (1.12) t celk. = 10000 58 = 172,4 173 ks Kde: tcelk. celkový počet tyčí pro danou sérii [ks], P počet kusů dané série n počet přířezů z jedné tyče [ks], [ks] 13 ÚST FSI VUT v Brně

SESTAVENÍ TECHNOLOGICKÉHO PROCESU 2 SESTAVENÍ TECHNOLOGICKÉHO PROCESU 2.1 Volba strojů Stroje a nástroje jsou voleny, tak aby zvládly obrobit vše co je zapotřebí. Pokud by se tyto stroje volily u konkrétní firmy, bylo by nutné přihlédnout i na cenu strojů. Jako vhodné jsou vybrány tyto stroje: PILOUS pásová pila na kov ARG 200 Popis stroje: Tato univerzální gravitační pásová pila (obr 2.1) nachází všeobecné uplatnění ve strojních provozech. Rameno pilového pásu se zvedá ručně, posuv do řezu je prováděn vlastní vahou ramene s možností jemné plynulé regulace škrtícím ventilem olejového tlumiče. Když se řez dokončí, pohon se automaticky vypne. Menší podstavec umožňuje instalaci stroje i v menších prostorech. Konstrukce stroje je tvořena odlitky z šedé litiny, což zaručuje pohlcování vibrací. Moderní koncepce ramene pilového pásu umožňuje velké řezné rozsahy při kolmých řezech i při dělení pod úhlem, který může být v rozsahu 90-60. Jako pohon pilového pásu je průmyslový elektromotor se šnekovou převodovkou. Pomocí třífázového dvojrychlostního motoru (400 V) můžeme volit rychlosti pásu 40 a 80 m.min -1. Ke stroji je také připojen chladicí systém, kde vana emulze s čerpadlem je umístěna v podstavci stroje. Celý stroj se ovládá velmi jednoduše pomocí vhodně umístěných ovládacích prvků na podstavci stroje. [9] Obr. 2.1 Pásová pila na kov ARG 200. [9] 14 ÚST FSI VUT v Brně

SESTAVENÍ TECHNOLOGICKÉHO PROCESU UNIVERZÁLNÍ HROTOVÝ SOUSTRUH SN 400 NA Základní parametry stroje: celkový příkon stroje: 6,5 kva, rozměry (d x š x v): 2595x1100x1525 mm, oběžný průměr nad ložem: 410 mm, oběžný průměr nad suportem: 220 mm. K hlavním přednostem stroje patří: Popis stroje: masivní litinová konstrukce lože, vysoký rozsah otáček vřetena, rychloposuvy v obou osách, kvalitní geometrická přesnost po obrobení, jednoduchý systém soustružení všech běžných typů závitů, kvalitní výbava příslušenství. Soustruh SN 400 NA (obr. 2.2) slouží především k obrábění hřídelových a přírubových součástek v kusové a sériové výrobě. Tento stroj je schopen obrábět jak vnější, tak i vnitřní válcové, kuželové a kulové plochy, také je schopen řezat vnitřní i vnější závity. Pro tento typ součástky je zcela vyhovující. [6] Obr. 2.2 Univerzální hrotový soustruh SN 400 NA. [6] 15 ÚST FSI VUT v Brně

SESTAVENÍ TECHNOLOGICKÉHO PROCESU FRÉZKA FN 20 Základní parametry stroje: upínací plocha stolu: 240x600 mm, svislé přestavení: 350 mm, max. zatížení stolu: 75 kg, výkon hlavního motoru: 1,5 kw. Hlavní přednosti stroje: Popis stroje: vysoká univerzálnost, dlouhodobá přesnost, velký rozsah posuvů a otáček, bezpečné a snadné obrábění, snadná údržba. Tato univerzální nástrojářská frézka FN 20 (obr. 2.3) se velmi dobře uplatní ve všech provozech s kusovou i malosériovou výrobou a také v nástrojárnách. Tento stroj je vhodný pro výrobu menších dílů, tudíž pro součást typu hřídel, na které se musí vyfrézovat drážka pro pero je frézka FN 20 vhodná. Rozsáhlý sortiment zvláštního příslušenství umožňuje frézovat rovinné, šikmé i kruhové plochy, dále pak umožňuje vrtat, obrábět, vyvrtávat a operace, které potřebují přímé i nepřímé dělení. [7] Obr. 2.3 Univerzální nástrojářská frézka. [7] 16 ÚST FSI VUT v Brně

SESTAVENÍ TECHNOLOGICKÉHO PROCESU BRUSKA HROTOVÁ BUA 25 A Základní parametry: max. broušený průměr: 250 mm, vzdálenost mezi hroty: 750 mm, obvodová rychlost kotouče: 45 mm, Popis stroje: max. hmotnost obrobku v hrotech: 250 kg. Bruska BUA 25 A (obr. 2.4) je vhodná pro vnější broušení kuželových a válcových ploch obrobků upnutých mezi hroty nebo letmo v unášecím vřeteníku. Brousit je možno podélným nebo zapichovacím způsobem s pevným, pohyblivým nebo oscilujícím stolem, jeho vrchní část je natáčivá. Natáčet se dá jak unášecí tak i brousicí vřeteník. Tento stroj umožňuje brousit válcovité i kuželovité díry za použití vnitřního broušení. Stroj je vybaven univerzálním řídicím systémem pro broušení ve dvou elektronicky řízených osách s ručním ovládáním, nebo v automatickém pracovním cyklu. [8] PRAČKA PROGRESS 401 Popis stroje: Obr. 2.4 Univerzální hrotová frézka. [8] Pračka Progress 401 (obr. 2.5) slouží k čištění a odmašťování hřídelí a ozubených kol. Čištění probíhá, tak že součást položíme na dopravníkový pás. Šířka dopravníkového pásu je od 150 do 250mm a rychlost pásu je nastavitelná v rozsahu od 0,1 do 10 m.min -1. Modulární konstrukce zařízení umožňuje individuální řešení a případné pozdější rozšíření. U stroje je také automatická regenerace mycích roztoků včetně základní dvoustupňové filtrace. Prostorové dveře umožňují jednoduché čištění a údržbu zařízení. Pračka má také širokou škálu přídavného vybavení. [10] 17 ÚST FSI VUT v Brně

SESTAVENÍ TECHNOLOGICKÉHO PROCESU Obr.2.5 Pračka Progress 401. [10] 2.2 Volba nástrojů Nástroje byly voleny z katalogů od firem Iscar a Hoffmann Group. [11, 12] Pilový pás (obr. 2.6) Výrobce: Pilous Specifické označení: 2490x20x0,9 M42 6/10z Materiál pásu: Bimetal + pružinová ocel Doporučené řezné rozměry jsou v rozsahu 25-60 mm. Obr. 2.6 Pilový pás. 18 ÚST FSI VUT v Brně

SESTAVENÍ TECHNOLOGICKÉHO PROCESU Soustružnický nůž Označení: PSSNR 2020K12 (obr. 2.7.a) Výrobce: ISCAR Materiál: HSS Odpovídající VBD: SNMG 120408-GN (obr. 2.8.b) Výrobce: ISCAR Materiál: SK Obr. 2.7.a Soust. nůž. Obr. 2.7.b Odpov. VBD. Zapichovací nůž Označení: GHGR 25-2 (obr. 2.8.a) Výrobce: ISCAR Materiál: HSS Odpovídající VBD: GIG 1,50-0,10 (obr. 2.8.b) GIG 1,85-0,15 Materiál: SK 19 ÚST FSI VUT v Brně

SESTAVENÍ TECHNOLOGICKÉHO PROCESU Obr. 2.8.a Zapichovací nůž. Obr. 2.8.b Odpovídající VBD. Středicí vrták Označení: A2 (obr. 2.9) Výrobce: HOLEX Materiál: HSS Obr. 2.9 Středicí vrták. Fréza Druh: EC-A-4 (obr. 2.10.a) Označení: EC080A20-4C08 Výrobce: ISCAR Materiál: HSS Odpovídající držák: BT 40FC SRKIN 8x90 (obr. 2.10.b) 20 ÚST FSI VUT v Brně

SESTAVENÍ TECHNOLOGICKÉHO PROCESU Obr. 2.10.a Druh frézy. Obr. 2.10.b Držák frézy. Brousicí kotouč Druh: Brousicí kotouč s keramickým pojivem (Obr. 2.11) Výrobce: Tyrolit Rozměry: 300x32x127 Tvar: A Specifikace: 89A 80J5 AV217 2.3 Technologický postup Obr. 2.11 Brousicí kotouč. V technologickém postupu je popsán proces výroby hřídele na konvenčních strojích včetně uvedení všech strojů, nástrojů a pomocných měřicích přístrojů. Technologický postup je obsahem přílohy 2. [1, 5, 11, 12] 21 ÚST FSI VUT v Brně

TISK VZORKU NA 3D TISKÁRNĚ 3 TISK VZORKU NA 3D TISKÁRNĚ 3.1 Co to je 3D tisk a něco o něm Je to speciální technologie obrábění, kde z digitální předlohy vytváříme fyzický model. Zpočátku by 3D tisk nástroj pro rychle a levné vytvoření prototypů od toho je také název Rapid prototyping (rychlá výroba prototypů). Díky cenové dostupnosti přišlo i další využití. K tomu patří malosériová výroba, tím je myšleno, že máme produkt, kde bude finančně náročná příprava a výroba, takže mnohdy vyjde 3D tisk levněji. Jako další je personalizovaná výroba kde si zákazník přesně určí, co potřebuje. Například uživatel má speciální požadavky, jak chce mít udělán obal na telefon nebo tablet. V dalším případě to je výroba náhradních (nedostupných) dílů třeba u domácích spotřebičů nebo u starých automobilů (veteránů), kde se jednotlivé díly už nevyrábí. Kromě těchto tří základních kategorií se 3D tisk používá v různých odvětvích. Každopádně 3D tisk je stále ve vývoji a každý den se dozvídáme více o této technologii. V 3D tisku používáme různé metody (FDM, SLS, DMLS ) a různé materiály od plastů až po kovové prášky. Nejpoužívanější metodou je metoda FDM (Fused Deposition Modeling). [13, 14, 16] 3.2 Metody 3D tiku Tab. 3.1 Metody 3D tisku [13, 14] ZKRATKA NÁZEV POPIS FDM (nebo FFF) FusedDeposition Modeling Tisk funkčních modelů roztaveným plastem SLA (nebo DPL) Stereolithography Vytvrzování fotocitlivé pryskyřice SLS Selective Laser Sintering Laserové sintrování plastového prach DMLS Direct Metal Laser Sintering Sintrování kovového prachu Solidscape Solidscape Tisk voskových modelů ProJet ProJet Tisk křehkých plnobarevných modelů z prášku Mcor Mcor Tisk křehkých plnobarevných modelů z papíru 3.3 Materiály pro 3D tisk Základní materiály jsou ABS a PLA. Tyto dva materiály by měla podporovat každá tiskárna. Lze však použít i jiné materiály, které jsou uvedeny v tab. 3.2 a tab. 3.3. ABS ACRYLONITRILE BUTADIENE STYREN Tento plast je jeden z nejpoužívanějších materiálů v 3D tisku. Plast má vysokou pevnost a dobrou tepelnou odolnost. Je také cenově dostupný (cena se pohybuje cca 500 Kč za 1 kg). Plast je také schopen odolávat vysokým teplotám a to bez velkých ztrát na pevnosti. Materiál při tisku má teplotu okolo 250 C => jeho tepelná roztažnost je špatná v porovnání s ostatními materiály a to vede k deformacím při tisku. Proto se musí použít vyhřívaná podložka. [13] 22 ÚST FSI VUT v Brně

TISK VZORKU NA 3D TISKÁRNĚ PLA POLYACTICACID Tento materiál je v oblasti tisku velmi rozšířený, a to díky jeho nízké teplotní roztažnosti. Materiál je vyroben z kukuřičného škrobu, tudíž je biologicky odbouratelný do několika měsíců. PLA se také dá použít pro tisk součástek (prototypů) větších jak 20 cm. Nevýhoda tohoto materiálu spočívá v jeho křehkosti, která je horší než u materiálu ABS. [13] PET POLYETHYLENE TEREPHTHALATE U tohoto materiálu by se dalo říci, že je to kombinace ABS a PLA, protože PET má dobrou pevnost, stálost a tepelnou roztažnost. Také odolá teplotám vyšších než 100 C a jeho teplota tisku je skoro stejná jako u ABS. Jeho nevýhoda je, že tento materiál se většinou vyskytuje v čiré barvě a je také 3krát dražší než ABS. [13] Tab. 3.2 Materiály pro 3D tisk [13] HIPS LAYWOOD ZKRATKA OSTATNÍ MATERIÁLY NÁZEV HIGH IMPACT POLYSTYREN LAYWOOD PVA PV6 POLYVINYLALKOHOL POLYAMID (NYLON) 3.4 Tisk Vzorku Pomocí 3D Tisku Pro vytisknutí vzorku (pouze pro reklamní účely) byla použita metoda FDM, ale nejprve obecný postup než se vzorek vytiskne: [13] I. CAD II. III. IV. Vše začíná v CAD systému, kde se navrhne a vymodeluje 3D model. Generování do formátu STL Téměř každé zařízení pro 3D tisk podporuje formát STL a to z toho důvodu, že tento formát dokáže většina CAD systému vygenerovat. Manipulace s formátem STL STL soubor, který popisuje součást, musí být převeden do počítačového programu, který spolupracuje s 3D tiskárnou, kde se dále upravuje velikost, poloha a orientace součástky. Nastavení tisku Zde to máme jako u klasické tiskárny, kde jsou nastaveny parametry tisku jako je zdroj energie, materiál, tloušťka vrstvy, časování a to ještě před samotným procesem. 23 ÚST FSI VUT v Brně

TISK VZORKU NA 3D TISKÁRNĚ V. Vytisknutí součástky VI. VII. Tisk prototypu je prováděn automatickým procesem a během tisku může být do jisté míry bez dozoru. Pouze stačí párkrát během tisku zkontrolovat, zda se materiál natavuje správně nebo či nedošlo k softwarové chybě. Vyjmutí modelu Po dokončení tisku, se model musí odstranit z podložky. A model zkontrolujeme, zda neexistují žádné pohyblivé části. Zpracování (Post procesing) 3.5 Metoda FDM Součástka se poté musí dále upravovat. Musí být odstraněny podpory a další různé čištění a to je časově náročné. S modelem se totiž musí zacházet opatrně, protože model nemusí být vždy pevný. Někdy naopak dochází ještě k obrábění či leštění modelu. Tato metoda byla vytvořena firmou Stratasys, která sídlí v Eden Prairie v Minnesotě. Princip metody: Proces této metody spočívá v tom, že termoplastický materiál (plast, vosk ) je podáván do vytlačovací hlavy, kde je ohříván na tisknutelnou teplotu a poté je pomocí kladek vytlačován do trysek a nanášen po vrstvách na vyhřívanou podložku (obr. 3.1). U této metody je také zapotřebí používat podpory, aby se model nedeformoval, a tyto podpory se po vytisknutí součástky odstraňují (mechanicky nebo chemicky). Vytlačovací (tisková) hlava, ve které jsou zabudovány trysky, které se pohybují v osách X a Y a to do té doby než se dokončí tisk jedné vrstvy, poté se hlava posune v ose Z o další tisknutelnou tloušťku vrstvy a tato tloušťka je poté vytisknuta. Výhodou této metody je, že vytisknuté součástky se přibližují funkčním hodnotám klasických produktů a také to, že je minimální odpad, a to pouze materiál z podpor. Nevýhodou je čas, který je potřebný pro tisk. U složitých součástí to můžou být hodiny někdy i dny. [14, 16] 24 ÚST FSI VUT v Brně

TISK VZORKU NA 3D TISKÁRNĚ Tab. 3.3 Přehled některých materiálů a jejich vlastností. [15] Materiál Pevnost v tahu [MPa] Pevnost v ohybu [MPa] Tažnost [%] ABSplus 33 58 6 ABSi 37 62 4,4 ABS ESD7 36 61 3 ABS M30 32 60 7 ABS M30i 32 61 7 ASA 33 60 9 PC ABS 34 59 5 PC ISO 57 90 4,3 PC 68 104 4,8 NYLON 12 48 69 30 ULTEM 1010 81-3,3 ULTEM 9085 71,64 115,1 5,9 PPSF PPSU 55 110 3 Obr. 3.1 Metoda FDM. [17] 25 ÚST FSI VUT v Brně

TISK VZORKU NA 3D TISKÁRNĚ 3.6 Tisk výrobku Výrobek byl vytisknut na 3D tiskárně zkonstruované panem Ing. Oskarem Zemčíkem, Ph.D. (obr. 3.2). Součástka byla vytisknuta v měřítku 1:1. Vytvořený model pomocí programu CAD byl převeden do formátu *.stl a poté naimportován do softwaru, který podporuje příslušnou tiskárnu. Model byl v odpovídajícím programu upraven, aby mohl být vytisknut. U součástky byly nastaveny parametry tisku, jako je kvalita tisku a tloušťka vrstvy, která je 0,2 mm a výplň součástky na 50 %, protože součástka bude sloužit jen pro reklamní účely a nebude jinak namáhaná. Obr. 3.2 Použitá 3D tiskárna. 26 ÚST FSI VUT v Brně

TISK VZORKU NA 3D TISKÁRNĚ Poté byl proveden tisk. Součástka byla vytisknuta i s podporami, které byly po dokončení tisku a vyjmutí součástky z vyhřívané podložky mechanicky odstraněny. Začátek tisku, který je na obr. 3.3, na kterém je možno nanášení vrstev a množství výplně. Součástka byla vytisknuta za 1 hodinu a 35 minut. Vytisknutá součástka je vidět na obr. 3.4. Obr. 3.3 Začátek tisku součástky. 27 ÚST FSI VUT v Brně

TISK VZORKU NA 3D TISKÁRNĚ Obr. 3.4 Vytisknutá součástka pomocí metody FDM. 28 ÚST FSI VUT v Brně

TECHNICKO EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ 4 TECHNICKO EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ Tato kapitola pojednává o technickém a ekonomickém zhodnocení výroby hřídele na konvenčních strojích a vytisknutí součásti na 3D tiskárně pomocí metody FDM. 4.1 Technické zhodnocení Hlavním faktorem u obou metod je hodnota průměrné aritmetické úchylky profilu (Ra). Pro výrobu hřídele na konvenčních strojích je hodnota Ra = 0,8 μm. Pomocí konvenčních strojů se této hodnoty dosáhne. Naopak pomocí metody FDM, u které je určujícím faktorem zvolená tloušťka vrstvy, která v daném případě byla zvolena 0,2 mm a zvolenou tloušťkou se této hodnoty nedosáhne. Součástka, která byla vytisknuta, tuto hodnotu nezajistí, ale z důvodu, že součástka bude sloužit pouze pro reklamní účely a nebude nijak zatěžována, nebyla tato hodnota požadována. 4.2 Ekonomické zhodnocení V ekonomickém zhodnocení záleží především na ceně a výrobním čase součástky. U první metody nebyly tyto faktory uvedeny, a to z důvodu, že to nebylo obsahem práce, pouze se spočítala spotřeba materiálu, která činí pro jeden výrobek Z m = 1,001 kg. Naopak u metody FDM byl uveden výrobní čas, který činí 1 hodinu 35 minut a i čas potřebný pro přípravu, který činí 15 minut, tedy celkový čas pro vytisknutí součástky metodou FDM činí 1 hodinu 50 minut. U této metody byla uvedena i cena za 1 součástku, která činí 70 Kč. V tab. 4.1 jsou uvedeny ceny za jeden a více vytisknutých prototypů na 3D tiskárně. Tab. 4.1 Ceny výrobku na 3D tiskárně. Počet kusů [ks] Cena za jednu součástku [Kč] 1 70 2 140 5 350 10 700 50 3500 100 7000 1000 70000 29 ÚST FSI VUT v Brně

DISKUZE 5 DISKUZE Hřídel byla navržena tak, aby v praxi pracovala jako hnaná nebo hnací. Pro výrobu hřídele na konvenčních strojích byl zvolen materiál 12 050.1 dle ČSN 42 5510, který zajistí dostatečnou pevnost a umožní vyrobit všechny požadované tvary a jakosti ploch. Bohužel u této metody nebyl spočítán výrobní čas, ale pouze spotřeba materiálu pro danou sérii. Pomocí metody FDM (Fused Deposition Modeling) byl zvolen materiál ABS a tloušťka vrstvy 0,2 mm, což nám požadované hodnoty nezajistí. Pokud by bylo zapotřebí dosáhnout lepší kvality, bylo by nutné nastavit tloušťku vrstvy 0,1 mm (tato úprava by se ovšem projevila na časové době tisku) nebo použít kvalitnější materiál jako je ABSi (tato úprava by vedla ke zlepšení mechanických vlastností). Ale díky tomu, že hřídel pomocí této metody byla tisknuta pouze pro reklamní účely, je materiál ABS dostačující, ale v dnešní době se čistý materiál ABS už nepoužívá, protože byl nahrazen materiálem ABSplus. 30 ÚST FSI VUT v Brně

DISKUZE ZÁVĚR V této bakalářské práci byl navrhnut a spočítán polotovar, dále navržen postup výroby hřídele na vybraných konvenčních strojích, které zajistí požadovaný tvar, jakost a funkčnost obráběných ploch. Pro danou sérii, která byla stanovena na 10 000 ks, bude potřeba 173 ks tyčí, které jsou z materiálu 12 050.1 dle ČSN 42 5510. Stupeň využití materiálu v tomto případě vyšel km = 0,36 a správně by měl vyjít km = 0,4 až 0,8. Toho bychom dosáhli volbou jiného materiálu. Dále bylo za úkol vytisknutí hřídele na 3D tiskárně pomocí metody FDM. Zde bylo nejprve nutné vytvořit model pomocí programu Autodesk Inventor Profesional 2015, tento model převést do formátu *.stl a poté připojit k příslušnému softwaru, který spolupracuje s 3D tiskárnou, kde byly nastaveny parametry tisku. Tisk byl prováděn na tiskárně zkonstruované panem Ing. Oskarem Zemčíkem, Ph.D. Když byly všechny parametry nastaveny (tloušťka vrstvy, množství výplně) mohl být proveden samotný tisk součástky. Tisk trval 1 hodinu a 35 minut a čas přípravy (vymodelování součástky, převedení do formátu *.stl, nastavení parametrů) 0 hodin a 15 minut, byl tedy celkový čas výroby zastaven na 1 hodině a 50 minutách. Cena za provedení tisku činila 70 Kč. Proto pokud by byl požadován jenom prototyp, výhodnější by byla metoda FDM a to už jenom kvůli ceně. Naopak kdyby byla součástka potřeba pro náročné namáhání, bylo by lepší jí vyrobit z kvalitního materiálu na konvenčních strojích. 31 ÚST FSI VUT v Brně

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] Ferona.cz [online]. Velkoobchod s hutním materiálem. [vid. 2014-11-13]. Dostupné z http://www.ferona.cz/cze/katalog/search.php [2] KOCMAN, K., PERNIKÁŘ, J. Ročníkový project II obrábění [online]. Studijní opory pro kombinovanou formu bakalářského studia v oboru STG Strojírenská technologie. Brno: VUT FSI, Ústav strojírenské technologie. 2002. [vid. 2014-12- 15]. Dostupné z: http://ust.fme.vutbr.cz/obabeni/opory-save/rocnikovyprojekt_iiobrabeni.pdf [3] ZEMČÍK, Oskar. Technologické procesy: část obrábění [online]. Učební texty kombinovaného bakalářského studia. VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 54 s. [vid. 2014-12-15]. Dostupné z: http://ust.fme.vutbr.cz/obrabeni/oporysave/technprocesy.pdf [4] SVOBODA, Pavel. BRANDEJS, Jan. PROKEŠ, František. Základy konstruování. 3. přeprac. vyd. Brno: ANC - Akademické Nakladatelství Cerm, s.r.o., 2005, 202 s. ISBN 80-7204-405-2. [5] Katalog obráběcích a tvářecích strojů [online]. 2014. [vid. 2014-11-14]. Dostupné z: http://ust.fme.vutbr.cz/obrabeni/vyuka/katalog/kat/view0_1.html [6] Katalog obráběcích a tvářecích strojů [online]. 2014. [vid. 2014-11-14]. Dostupné z: http://ust.fme.vutbr.cz/obrabeni/vyuka/katalog/kat/ssn400na_1.html [7] Katalog obráběcích a tvářecích strojů [online]. 2014. [vid. 2014-11-14]. Dostupné z: http://ust.fme.vutbr.cz/obrabeni/vyuka/katalog/kat/sfn_20_1.html [8] Katalog obráběcích a tvářecích strojů [online]. 2014. [vid. 2014-11-14]. Dostupné z: http://ust.fme.vutbr.cz/obrabeni/vyuka/katalog/kat/sbua25a_1.html [9] Pilous.cz [online]. Pásové pily na kov. [vid. 2014-12-03]. Dostupné z: http://pilous.cz/metal/pasove-pily-na-kov/gravitacni/arg-200 [10] Nekron.cz [online]. Nekron výrobce průmyslových myček. [vid 2014-12-05]. Dostupné z: http://nekron.cz/produkty/strojirenstvi/progress-401 [11] Hoffmann-group.com [online]. Katalog obráběcích nástrojů. [vid. 2015-01-02]. Dostupné z: https://www.hoffmann-group.com/cz/cs/hot [12] Iscar.cz [online]. Elektronický katalog obráběcích nástrojů. [vid. 2015-01-02]. Dostupné z: https://www.iscar.com/ecatalog/index.aspx [13] Gibson, Ian, David W. Rosen a Brent Stucker. Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping To Direct Digital Manufacturing [online]. New York: Springer, 2010, 459 s. [vid. 2015-03-10]. ISBN: 978-1-4419-1120-9. Dostupné z:http://search.ebscohost.com.ezproxy.lib.vutbr.cz/login.aspx?direct=true&db=nlebk& AN=340900&lang=cs&site=ehostlive&ebv=EB&ppid=pp_Cover ÚST FSI VUT v Brně 32

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [14] VUT v Brně. Fakulta strojního inženýrství. Ústav strojírenské technologie. Aditivní technologie metody Rapid Prototyping [online]. Studijní materiály a opory. [vid. 2015-03-11]. Dostupné z: http://ust.fme.vutbr.cz/obrabeni/podklady/ sto_bak/cv_stv_04_ Aditivni_technologie_metody_Rapid_Prototyping.pdf [15] Stratasys.com [online]. Stratasys. 2015 [vid. 2015-04-15]. Dostupné z: http://.stratasys.com/materials/fdm/compare-fdm-materials [16] Custompart.net [online]. Custompart. 2008 [vid. 2015-04-17]. Dostupné z:http://www.custompartnet.com/wu/fused-deposition-modeling [17] Custompart.net [online]. Custompart. 2008 [vid. 2015-04-17]. Dostupné z:http://www.custompartnet.com/wu/images/rapid-prototyping/fdm.png [18] LEINVEBER, Jan. VÁVRA, Pavel. Strojnické tabulky: pomoc náučebnice pro školy technického zaměření. 4. Doplněné vyd. Úvaly: Albra pedagogické nakladatelství, 2008, 914 s. ISBN 978-80-7361-051-7. [19] Jkz.cz [online]. JKZ Bučovice a.s. 2010 [vid. 2016-05-01]. Dostupné z: http://www.jkz.cz/node/219 ÚST FSI VUT v Brně 33

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ Zkratka Popis Ra Průměrná Aritmetická Úchylka profilu, 3D ThreeDimensional, FDM FusedDeposition Modeling, SLS Selective Laser Sintering, SLA StereolithographyApparatus, DMSL Direct Metal Laser Sintering, ABS Acrylonitrile Butadiene Styren, PLA Polyacticacid, PET PolyethyleneTerephthale, HIPS HighImpact Polystyren, PVA Polyvinylalkohol, PV6 Polyamid (Nylon), PC Polycarbonát, CAD Computeraided design, C Uhlík, Mn Mangan, Si Křemík, Cr Chrom, Mo Molybden, Ni Nikl, P Fosfor, S Síra, Rp0,2 Smluvní mez kluzu, Rm Mez pevnosti, A5 E G Tažnost, Modul pružnosti v tahu, Modul pružnosti ve smyku. Značka Popis Jednotka m hmotnost [kg], Vp objem polotovaru [mm 3 ], D průměr polotovaru [mm], 34 ÚST FSI VUT v Brně

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ l délka polotovaru [mm], Qp hmotnost polotovaru [kg], ρ hustota materiálu [kg.m -3 ], n počet přířezů z jedné tyče [ks], L délka jedné tyče [mm], l délka součásti [mm], p přídavek na délku [mm], s tloušťka pilového pásu [mm], lk délka nevyužitého konce tyče [mm], Qk ztráta materiálu z nevyužitého konce tyče [kg], qk ztráta materiálu z nevyužitého konce tyče pro jednici [kg], qo ztráta materiálu vzniklá obráběním [kg], Qp hmotnost polotovaru [kg]. Qs hmotnost součásti [kg], qu ztráta materiálu vzniklá dělením připadající na jednici [kg], Zm celková ztráta materiálu na jednici [kg], Nm norma spotřeby materiálu [kg], km stupeň využití materiálu [-], tcelk. celkový počet tyčí pro danou sérii [ks], P počet kusů dané série [ks]. 35 ÚST FSI VUT v Brně

SEZNAM PŘÍLOH SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 - Výrobní výkres součásti Příloha 2 - Technologický postup 36 ÚST FSI VUT v Brně

PŘÍLOHA 1 Výrobní výkres součástky.

PŘÍLOHA 2 (1 ZE 3) Technologický postup.

PŘÍLOHA 2 (2 ZE 3) Technologický postup.

PŘÍLOHA 3 (3 ZE 3) Technologický postup.